上海光机所研制成功国际首台高时空分辨布里渊显微镜

近日，中科院上海光机所杨帆研究员牵头研制成功国际首台高时空分辨布里渊显微镜，相关成果以题为 “Stimulated Brillouin scattering microscopy with a high-peak-power 780-nm pulsed laser system”的研究论文，发表在《自然·光子学》（Nature Photonics）上。该系统在保持优异成像质量和高频谱特异性的前提下，将布里渊显微成像速度提升两个数量级，首次在国际上实现亚毫秒时间分辨与亚微米空间分辨的力学成像，标志着我国在三维力学显微技术领域实现重大原创突破，为生命科学中的力学研究提供了重要工具。

细胞和组织的力学性质在功能调控、发育过程及疾病机制中发挥关键作用。然而，现有力学检测技术如原子力显微镜和光学相干弹性成像受限于接触性、浅层成像或空间分辨率不足，难以满足高精度三维力学成像需求。

近年来，布里渊显微成像作为新兴的全光学、非接触、三维力学成像技术，在力学生物学、眼科与肿瘤诊断等领域展现出巨大潜力。特别是受激布里渊显微镜具备更高的空间和频谱分辨率，但其长期受限于成像速度，典型单像素时间达20毫秒，严重制约了对动态过程的实时观测。

为突破该瓶颈，研究团队开发出一套波长为780nm、峰值功率为267W的高峰值功率、低占空比脉冲光纤激光系统，同时结合高抑噪自平衡探测方案实现超过31dB的噪声抑制。最终系统在30mW平均功率下，实现了每像素仅200微秒的成像速度，大幅领先于现有技术水平。

研究团队在多个生物样本上系统验证了性能优势：在单细胞、类器官、斑马鱼胚胎及卵泡的成像中，实现了0.49×0.49×2.1 µm³的空间分辨率和7.7 MHz频移测量精度。特别是在斑马鱼胚胎中观测到双布里渊峰，揭示了异质性细胞外基质与腔体中的力学差异；在秀丽隐杆线虫胚胎发育过程中，系统首次实时捕捉到早期细胞分裂中的力学动态变化，展现了其出色的时空分辨能力与生物应用潜力。

脉冲激光受激布里渊显微成像技术应用于各种生物样品显微成像。

图注a-h斑马鱼幼虫的明场和布里渊成像结果；i-j线虫胚胎的明场和布里渊成像结果；k-n海拉细胞的明场和布里渊成像结果；o-r成纤维细胞的明场和布里渊成像结果；s-t斑马鱼卵泡的明场和布里渊成像结果。

该成果由中国科学院上海光机所齐云研究员为第一作者，杨帆研究员和陈卫标研究员为共同通讯作者。研究工作得到上海科技大学谢菁菁研究员、中国科学院脑智卓越中心杜久林研究员、蔡时青研究员以及浙江大学夏鹏研究员团队的鼎力支持，并获国家自然科学基金、中国科学院项目资助。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-025-01697-y